INDICE - UPC Universitat Politècnica de Catalunya

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Proyecto fin de grado: SISTEMA ARTICULADO DE UNA ESCALERA CONVERTIBLE EN RAMPA

INDICE

RESUMEN………………...……………………….….……………...................…...…....3

ABSTRACT…………….…………………….…..……...……….....…................…..…....4

CAPÍTULO 1: OBJETIVO DEL TFG

1.1.Finalidad ................................................................................................................................................ 7

1.2.1.2. Propósito ....................................................................................................................................... 8

1.3.1.3. Objeto ............................................................................................................................................ 9

1.4.1.4. Alcance .......................................................................................................................................... 9

CAPÍTULO 2: INTRODUCCIÓN

2.1. Introducción a la escalera articulada........................................................................................... 9

Las Escaleras en el CTE (Código Técnico Edificación) .............................................111

Escaleras y rampas ..................................................................................................................... 11

Escaleras de uso restringido. ........................................................................................... 11

Escaleras de uso general ................................................................................................... 12

Peldaños ................................................................................................................................. 12

Clasificación de las escaleras según su pendiente ........................................................... 14

CAPÍTULO 3: CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO

3.1. Características principales del proyecto .................................................................................. 14

3.2. Funcionamiento ............................................................................................................................... 17

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CAPÍTULO 4: DISEÑO DEL SISTEMA

4.1. Conjunto estructura ........................................................................................................................ 19

4.1.1. Escalón .............................................................................................................................. 20

4.1.2. Apoyo................................................................................................................................. 21

4.1.3. Guias .................................................................................................................................. 22

Guia de movimiento ................................................................................................... 22

Guia soporte del escalon ........................................................................................... 23

Guia del apoyo .............................................................................................................. 24

4.1.4. Borde .................................................................................................................................. 25

4.1.5. Union escalones .............................................................................................................. 26

4.1.6. Cilindro Deskline-LA31 .............................................................................................. 27

4.1.7. Pernos y tornillos............................................................................................................ 27

CAPÍTULO 5: COMPORTAMIENTO DE LAS PIEZAS POR ELEMENTOS FINITOS

5.1. Escalón .............................................................................................................................................279

Información de modelo ..................................................................................................... 30

Propiedades de material .................................................................................................... 30

Cargas y sujeciones ............................................................................................................ 31

Resultados del estudio ....................................................................................................... 32

Factor de seguridad ............................................................................................................ 33

5.2. Apoyo.................................................................................................................................................. 34


Propiedades de material ..................................................................................................305

Cargas y sujeciones ..........................................................................................................316

Resultados del estudio .....................................................................................................327

3


5.3. Tornillo de unión apoyo/escalon ..............................................................................................349

5.4.Guias ...................................................................................................................................................359

Guia de movimiento .................................................................................................................. 39





Guia soporte escalon ................................................................................................................. 44





Guia de apoyo .............................................................................................................................. 50





5.5. Borde .................................................................................................................................................. 54





5.6. Union escalones ............................................................................................................................... 58

5.7. Cilindro electrico de accionamiento ......................................................................................... 60

CAPÍTULO 6 : DIAGRAMA DE GANNT

6.1. Diagrama de Gannt ......................................................................................................................... 62

4


CAPÍTULO 7: PRESUPUESTO

7.1. Presupuesto ...................................................................................................................................4363

CAPÍTULO 8 :CONCLUSIONES

Conclusiones del TFG............................................................................................................................ 65

CAPÍTULO 9 : BIBLIOGRAFIA…………………………………………………….…..66

ANEXOS…………………………………………………………………………..…67

NORMATIVA

CARACTERISTICAS ACTUADOR DESKLINE-LA31

PLANOS

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RESUMEN

La finalidad de este proyecto de final de Grado ha sido el diseño de unas escaleras

articuladas convertibles en rampa. El sistema que accionado por un cilindro eléctrico,

desplaza la estructura por las guías de movimiento para formar así la rampa. Además,

para facilitar la ascensión por la rampa al minusválido, en el caso de que la inclinación

sea pronunciada, se sujetara la silla con un soporte unido a un sistema de tracción

mediante piñón y cremallera.

El TFG ha sido realizado por dos personas, dividiendo el proyecto en dos partes.

En esta parte del proyecto se hablara sobre el sistema articulado anclado a una escalera

con características que se describirán posteriormente. Durante el proyecto se

desenvolverá la parte del sistema de la escalera articulada, tanto en diseño, coste y

características mecánicas contando con todas sus partes, diseño y mecánica.

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ABSTRACT

The purpose of this draft final Grade has been designing a convertible articulated ramp

stairs . The system operated by an electric cylinder , moves the structure Guides

movement to form the ramp. Moreover, to facilitate the ascent of the ramp the disabled,

in the case where the inclination is steep, the seat is secured with a bracket attached to a

drive system using rack and pinion .

The TFG has been done by two people , dividing the project into two parts.

In this part of the project is anchored on the articles speak to a ladder with features that

will be described later .During the project of the system of the hinged staircase , both in

design , cost and mechanical characteristics having all its parts will unfold system design

and mechanics.

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Capítulo 1: Objetivo del proyecto

1.1. Finalidad

El objetivo que se pretende conseguir con este proyecto es facilitar la calidad de vida de

las personas de movilidad reducida (PMR).

Discapacidades, Deficiencias y Estado de Salud. Resultados nacionales: cifras

absolutas

Población con discapacidad según tipo de discapacidad por edad y sexo.

Unidades: miles de personas de 6 y más años

Varones Mujeres

Visión 371,4 607,8

Tareas visuales de detalle 236,9 436,7

Audición 456,1 608,5

Movilidad 885,7 1658,4

Cambiar las posturas corporales básicas 334,5 726,1

Mantener la posición del cuerpo 370,1 758,2

Desplazarse dentro del hogar 298,4 616,6

Desplazarse fuera del hogar 553,5 1116

Desplazarse utilizando medios de transporte como pasajero 510,4 1072

Mover objetos con las extremidades superiores 314,1 690,1

Autocuidado 651,3 1183,3

Comer y beber 143,7 236,7

8


Vida doméstica 613,7 1481,7

Tabla 1 - Cuadro explicativo sobre Discapacidades, Deficiencias y Estado de Salud.

Según datos obtenidos de la encuesta sobre Discapacidades, Deficiencias y Estado de

salud del Instituto Nacional de Estadísticas realizada en 2015, hay 3.847.900 de españoles

que sufren algún tipo de discapacidad o minusvalía. Entre ellas se encuentran aquellas

con dificultad para desplazarse, por sufrir problemas de movilidad, lo cual representa

aproximadamente el 5,4% de la población nacional.

Entre ellos se encuentran aquellos a los que les supone un problema el hecho de subir o

bajar escaleras por sus propios medios, convirtiéndose éstas en muchas ocasiones en

barreras infranqueables cuando no reciben ayuda de otros.

El principal objetivo que se pretende conseguir con este proyecto, es mejorar la calidad

de vida de dichas personas, permitiendo que puedan subir y bajar tramos de escaleras con

mayor facilidad y autonomía.

Sabiendo que en el mercado existen diferentes opciones, estudiaremos este sistema para

poder determinar si su funcionamiento es óptimo y se adapta a los precios de mercado.

1.2. Propósito

La escalera articulada proporciona al minusválido acceder a lugares donde es necesario

subir o bajar escaleras. Este prototipo despliega una rampa cada vez que se desee con el

fin de poder acceder fácilmente a lugares sin tener que construir una rampa, ascensor o

escaleras mecánicas, procesos que necesitan tiempo, licencias de obra y bastante dinero.

El proyecto persigue la utilización de este prototipo para optimizar el espacio, el montaje

de su instalación y la calidad de vida que otorgara.

El soporte del sistema de empuje de la silla de ruedas será la clave junto al propio sistema

para ascender/descender al minusválido por las escaleras articuladas si la pendiente

impide que la propia persona pueda realizar el trabajo y que en caso de tener una segunda

persona para ayudar a subir la silla, esta no pueda ejercer la función.

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Se hará una búsqueda de piezas normalizadas y estandarizadas existentes en el mercado

para reducir costes de producción y la hipotética fabricación en serie.

1.3. Objeto

Facilitar la vida autónoma de las personas de movilidad reducida adaptando las

dificultades de una escalera a una rampa y su ascensión por ella.

1.4. Alcance

El alcance del prototipo es una alternativa a sistemas similares en el mercado de sistemas

para elevación o desplazamiento de personas con movilidad reducida.

Capítulo 2: Introducción

2.1. Introducción a la escalera articulada.

Nuestra sociedad plantea difícil la accesibilidad y el movimiento por sus calles o

establecimientos a personas con movilidad reducida.

Existen diferentes soluciones para las personas con movilidad reducida, las sillas salva

escaleras, los ascensores , las escaleras mecánicas para minusválidos, además de las

posibles mejoras a la silla de ruedas para poder hacerla más accesible , entre otras

propuestas para hacer la vida más sencilla a estas personas en tanto públicas como de sus

propias viviendas.

Las escaleras que se convierten en rampa. Te traemos en esta ocasión un interesante y

original invento que resolverá seguramente muchos de los problemas de accesibilidad en

nuestros edificios o en infraestructuras públicas. En este TFG se presentan como una

idea de diseño y un prototipo.

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*Para este diseño solo es factible para pendientes como máximo del 10%, dependiendo

de la norma local del país. Ahora bien, para que sea algo más eficiente este proyecto

uniremos esta idea con la unión de un sistema de empuje (tren cremallera) para poder

ser utilizado en pendientes de unos 40 a 50 %.

Se ha dividido la estructura en varios bloques atendiendo a las partes móviles y partes

fijas existentes en el conjunto. Se intentará así que tanto los cálculos como las soluciones

adoptadas puedan ser más fácilmente entendibles.

La estructura articulada ha sido dividida en varios grupos de elementos:

Sistema de las escaleras articuladas

ESCALÓN

APOYO DEL ESCALÓN

GUÍAS

BORDE Y BORDE DE LA BASE

UNIÓN DE ESCALONES

CILINDRO DE ACCIONAMIENTO

PERNOS Y TORNILLOS

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Capítulo 3: Características y funcionamiento

Las Escaleras en el CTE (Código Técnico Edificación)

Desde que el CTE entró en vigor (2006-2007), el mundo de las escaleras y las barandillas

cuenta con una normativa, mejorable en nuestra opinión, pero útil para su diseño y

fabricación. “Código Técnico de Edificación. Documento Básico SU 1. Seguridad frente

al riesgo de caídas”. (Anexos)

Escaleras y rampas

Escaleras de uso restringido.

Son aquellas que NO tienen uso público, comercial, sanitario, centros de

enseñanza o usuarios especiales. Digamos coloquialmente, la escalera de una

vivienda privada.

La anchura será mínimo de 80 cm. Huella 22 mínimo y contrahuella 20 cm

máximo.

Los peldaños en los tramos curvos tendrán 5 cm mínimo en el lado más estrecho y

44 cm en el más ancho.

Ofrecen la posibilidad de hacer rellanos partidos en 2 (45º) y escalones sin tabica

con vuelo mínimo de 2,5 cm.

http://www.lasescaleras.es/wp-content/uploads/2012/04/CTE_DB-SU1.pdf

http://www.lasescaleras.es/wp-content/uploads/2012/04/CTE_DB-SU1.pdf

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Escaleras de uso general

Aquellas escaleras situadas en zonas destinadas al público, en establecimientos de

uso Comercial, Sanitario o de Pública Concurrencia, en zonas comunes de

edificios de uso Residencial Vivienda o en escuelas infantiles, Centros de

enseñanza o para ancianos y discapacitados.

Peldaños

La “Ley de Blondel”, establece una relación entre las huellas y las contrahuellas.

La huella es la parte de la escalera donde pisas, mientras la contrahuella se

determina por la distancia en altura entre 2 huellas. Relación de 28 cm mínimo y

contrahuella en el intervalo 13-18,5 cm.

Ésta Ley establece la siguiente ecuación como la fórmula correcta para que el

usuario pueda utilizar cómodamente la escalera:

Ilustración 1- Tipo de escaleras por diferentes tipos de ángulos respectos la horizontal

2 Contrahuellas + 1 Huella = 64cm

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La relación ideal es Contrahuella=18cm y Huella=28cm

En las escaleras utilizadas preferentemente por niños, ancianos o personas con

discapacidad no se admiten escalones sin tabica. En tramos curvos guardamos la

misma proporción de huella 28 cm a una distancia de 50 cm del borde interior y

44 como máximo del exterior.

Anchuras mínimas:

Uso Sanitario 120-140 cm

Centros de enseñanza 120 cm

Uso público y comercial 120 cm.

El resto de casos 100 cm

La anchura mínima útil se medirá entre paredes o barreras de protección.

La construcción de la estructura articulada va en función de la escalera en si, por

eso habrá que utilizar escalones a medida de la escalera y parametrizar los

diferentes componentes que lo componen para poder adaptarse a la

infraestructura.

La tabla siguiente acoge algunas relaciones de la ley de Bondel:

Huella Contrahuella Angulo respecto la

horizontal

Resultado de la

relación

370 130 19,35 630

260 185 35,43 630

290 170 30,37 630

280 130 24,9 540

280 185 33,45 650

Tabla 2- Ley de Bondel con relaciones escogidas por estándares

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Clasificación de las escaleras según su pendiente

La pendiente de una escalera estará en razón directa, con los valores asignados a las

alzadas y peldadas. Estos valores nos determinarán el ángulo o pendiente.

En el gráfico anterior, se agrupan los distintos tipos de escalera según su pendiente o

ángulo de inclinación para todos los casos posibles, en el mismo ejemplo tenemos que:

De 0º a 11º están comprendidas las rampas.

De 11º a 26º están comprendidas las escalinatas.

De 26º a 42º están comprendidas las escaleras en general.

De 42º a 75º están comprendidas las escaleras de máquinas, las molineras y las

escaleras de pasos alternados.

De 75º a 89º están comprendidas las escaleras marineras.

De 90º son escaleras gato.

Por otra parte, dentro de las escaleras en general, las escaleras más cómodas están

comprendidas entre las pendientes de 31º a 37º.

3.1. Características principales del proyecto

La estructura articulada está diseñada para un solo tramo recto con pendiente

constante.

La pendiente de la escalera podrá ser entre 26˚ y 42˚. Para este proyecto se ha

tomado la opción de H=290mm y Ch=170mm como referencia una escalera con

pendiente de 31º.

La estructura podrá soportar cargas de hasta 200 Kg, incluyendo la silla de ruedas

y sus diferentes tipos de peso.

http://www.eleveescaleras.com.ar/

http://www.eleveescaleras.com.ar/piederecho.htm

http://www.eleveescaleras.com.ar/marineras.htm

http://www.eleveescaleras.com.ar/escaleras-gato.htm

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El recorrido de la escalera es de 1,34 metros aproximadamente, aunque puede

alargarse esta trayectoria.

Ilustración 2- Recorrido de la longitud total de escalones.

El sistema necesita un motor eléctrico que proporcione al actuador la energía

suficiente para poder mover el sistema por la guía corredera. El motor estará

conectado a una toma de corriente que se encuentre cerca de las escaleras.

El anclaje del sistema se realizara mediante tornillos al suelo con un total de 4

guías de apoyos por escalón.

Ilustraciones 3 y 4- Anclaje correspondiente a las 4 guías del sistema

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El desplazamiento se produce por medio un cilindro eléctrico, con lo cual el

montaje es totalmente silencioso.

Ilustración 5 - Cilindro eléctrico

La traslación de la silla de ruedas y de la persona se realiza mediante un sistema

de piñón-cremallera, que permite transmitir la suficiente potencia desde el motor

y también resulta muy silencioso.

Las escaleras articuladas permiten la posibilidad de instalarse tanto en el exterior

como en el interior de edificios públicos (si las características de instalación son

óptimas). En el caso de instalarse en el exterior, los componentes de la silla

necesitaran un recubrimiento superficial (sobre todo las piezas metálicas) para

soportar las inclemencias meteorológicas. Esto conlleva la desventaja de que el

precio final será mayor.

Puede ser montada en el lado derecho o izquierdo de la escalera

La estructura se adapta a la escalera, con el fin de poder no tener que esconderla

ni reducir su diseño para la adaptación.

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Ilustración 6- Sistema integrado en una escalera

Su diseño permite que se pueda instalar en la mayoría de las escaleras de uso

general, pero se requiere un ancho mínimo de escalera de 850 mm, aunque para

este caso el ancho mínimo es de 1200 mm

3.2. Funcionamiento

El accionamiento de las escaleras convertibles en rampa se realiza por medio de un

cilindro eléctrico dirigido por una guía. El cilindro situado en la parte inferior

derecha/izquierda (según donde esté instalado el sistema mecánico de tracción de

cremallera) de la escalera.

Al accionar este, el tornillo guía (unido al apoyo y al escalón) se desplaza hacia el interior

de la escalera arrastrando el escalón y el apoyo. El escalón, al tener un borde redondeado

sobre la parte más cercana a la contrahuella de la pared, subirá inclinándose hasta llegar a

la guía de soporte donde acabe formando una rampa de 31 grado con la horizontal.

Al final del recorrido del cilindro o la guía de movimiento, el apoyo se retiene recto

paralelo a la contrahuella de las escaleras para evitar la el movimiento. La estructura

queda apoyada y sujeta por 4 guías más la base del escalón.

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Para que todos los escalones puedan acabar el recorrido de la guía de movimiento a través

del cilindro Deskline-LA31 desde la parte baja de las escaleras, se vincularan con la

unión de un esqueleto metálico (formado por piezas soldadas y sujetas a las guías) que

une el movimiento de uno a todos los componentes de la estructura, finalizando su

montaje. Este actuador está conectado al motor eléctrico que se encuentra en la parte

inferior de las escaleras.

En el caso de necesitar el sistema de cremallera por la inclinación de la rampa, el soporte

fijara la silla con dos pinzas ajustables y el sistema subirá la silla hacia arriba.

Para el descenso, se anclara la silla al soporte de la misma forma que se había anclado

para la ascensión (bajando la silla con su ocupante de manera inversa al sentido de

descenso de la rampa).

Una vez finalizada la función del sistema, para dejarlo en su estado inicial se debe

invertir el sentido del cilindro por medio de algún actuador, ya que esta parte es más

electrónica no entrare en más detalle.

Capítulo 4: Diseño del sistema

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1. Guía apoyo escalón 5. Cilindro eléctrico

2. Unión de escalones 6. Borde escalón base

3. Escalón

4. Borde escalón

1. Tornillo guías 5. Apoyo

2. Tornillo unión escalón/apoyo 6. Tornillo guía movimiento

3. Guía movimiento 7. Fijación escalón/borde

4. Guía soporte escalón

4.1. Conjunto estructura

Es este apartado se observaran las diferentes partes del sistema y cuál es su diseño,

especificando su función y algún detalle del proceso de fabricación y material utilizado

para su construcción.

Las partes más importantes de este sistema constan de:

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• Escalón

• Guías

• Borde

• Apoyo

• Unión escalones

• Cilindro de accionamiento

4.1.1. Escalón

El escalón es la base principal del sistema, está fabricado en su totalidad de

HDPE.

Propiedades

Estructura Química: El análisis del polietileno (C, 85.7%; H, 14.3%) corresponde

a la fórmula empírica (CH2)n resultante de la polimerización por adición del

etileno.

Cristalinidad: Es cristalino en más de un 90%

Temperatura de transición vítrea: Tiene 2 valores, a -30ºC y a -80 ºC

Punto de fusión: 135ºC Esto le hace resistente al agua en ebullición

Rango de temperaturas de trabajo: Desde -100ºC hasta +120ºC

Propiedades ópticas: Debido a su alta densidad es opaco.

Densidad: Inferior a la del agua; valores entre 945 y 960 kg por m3

Viscosidad: Elevada. Índice de fluidez menor de 1g/10min, a 190ºC y 16kg de

tensión

Flexibilidad: Comparativamente, es más flexible que el polipropileno

Resistencia Química: Excelente frente a ácidos, bases y alcoholes.

El proceso de fabricación se realiza por medio de extrusión. Los laterales tienes

dos agujeros de 10 mm de diámetro, fijando el apoyo y la base del escalón con

unos tornillos. El grosor de la pieza es uniforme y de 8mm.

21


Ilustración 9- Escalón

Ilustración 10- Escalón

4.1.2. Apoyo

El apoyo es la base del escalón, soporta y estabiliza la pieza para que forme un

ángulo de 31 grados con la huella de las escaleras. También, es la pieza de unión

entre la guía que mueve el mecanismo y el escalón, está hecho en su totalidad de

HDPE como la pieza del escalón anteriormente descrita. Este apoyo se une al

escalón con dos tornillos y con las guías de movimiento con dos tornillos, menos

la base donde el tornillo es más largo y se une al cilindro Deskline-LA31 de

recorrido 170 mm que desplazara la estructura de la posición inicial a la posición

final.

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Ilustración 11- Apoyo

Ilustracion12-Apoyo

4.1.3. Guías

Guía de movimiento

La guía de montaje está situada en la base y es la parte principal del movimiento.

Su función es guiar el sistema desde la posición de escaleras hasta la posición de

final de rampa. La estructura soporta los componentes de la escalera articulada.

Está compuesta por dos guías soldadas a una base y ancladas a la base de las

escaleras.

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El material de fabricación es el acero inoxidable El acero inoxidable es un acero

de elevada resistencia a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales aleantes

que contiene, poseen gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando

una capa pasadora, evitando así la corrosión del hierro (los metales puramente

inoxidables, que no reaccionan con oxígeno son oro y platino, y de menor pureza

se llaman resistentes a la corrosión, como los que contienen fósforo).

Ilustración 13- Guía movimiento

Guía soporte del escalón

Esta guía se encarga de sujetar el escalón de aluminio para que la rampa quede

inmóvil.

Situada en la parte más externa del escalón, específicamente en el borde, esta guía

está formada de acero inoxidable. Esta esta pieza además guía la unión de

escalones para que no se desvíe de su recorrido.

En la parte más alta de las escaleras, la guía del soporte del escalón será diferente

para que la persona con movilidad reducida pueda realizar el descenso con la

misma facilidad con la asciende. Para ello se hará una soldadura con una pequeña

24


rampa para que la silla pueda subir la pequeña rampa y así descender por el

sistema.

Ilustración 14- Guía soporte escalón

Ilustración 15- Guía soporte escalón con la pequeña rampa

Guía del apoyo

Esta guía de apoyo tiene la función de sujeción del apoyo y que se mantenga

paralelamente con la contrahuella de la escalera. Anclado en la base de las

escaleras con tornillos de métrico 10 mm y fabricado con acero inoxidable esta

pieza está fabricada por extrusión.

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Ilustración 16- Guía apoyo

4.1.4. Borde

Pieza que tiene la función de apoyar el escalón en la base de la escalera en estado

inicial, cuando el sistema está en modo rampa. El borde ayuda a que el escalón

escape de la guía del soporte que sujeta la escalera. La base de la estructura y el

sistema tiene otro borde diferente que se adapta más a la base de las escaleras para

que el ascenso de la silla de ruedas sea más seguro.

El material del que está compuesto es HDPE que se caracteriza por:

Excelente resistencia térmica y química.

Muy buena resistencia al impacto.

Es sólido, incoloro, translúcido, casi opaco.

Muy buena procesabilidad, es decir, se puede procesar por los métodos de

conformados empleados para los termoplásticos, como inyección y

extrusión.

Es flexible, aún a bajas temperaturas.

Es tenaz.

Es más rígido que el polietileno de baja densidad.

Presenta dificultades para imprimir, pintar o pegar sobre él.

Es muy ligero.

Su densidad se encuentra en el entorno de 0.940 - 0.970 g/cm3.

No es atacado por los ácidos, resistente al agua a 100 ºC y a la mayoría de

los disolventes ordinarios.

Esta pieza está fabricada por extrusión.

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Ilustración 17- Borde

Ilustración 18-Borde de la base de las escaleras

4.1.5. Unión escalones

La unión de escalones pretende unir el movimiento de un escalón a los demás por

medio del cilindro eléctrico. Esta pieza está formada tres partes de grosor de 10

mm. Está fabricado con acero inoxidable y anclado a la siguiente unión de

soldadura que envuelve la pieza.

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Ilustración 19. Unión escalones

4.1.6. Cilindro Deskline-LA31

Este cilindro de recorrido de 170 mm anclado en la superficie de las escaleras

proporciona la fuerza para mover todo el sistema hasta el estado final.

Ilustración 20- Cilindro eléctrico

28


4.1.7. Pernos y Tornillos

Los diferentes tornillos o pernos más importantes que componen la estructura son:

Tornillo guía /cilindro métrico 10

29


Capítulo 5. Cálculos de los componentes por

elementos finitos

5.1. Escalón

Para dimensionar el escalón, hay que realizar una serie de cálculos que nos aseguren

que este es capaz de soportar las cargas o esfuerzos a los que está sometido. Hay dos

formas de realizar estos cálculos:

1. Primero se realizan los cálculos que determinan las dimensiones mínimas del

escalón y el número de apoyos capaces de soportar las cargas, y después, se

procede a dimensionarlo en base a estos cálculos.

2. Primero se determinan las dimensiones del escalón y el número de apoyos, y

después, se realizan los cálculos para comprobar que con estas dimensiones se

soportan los esfuerzos.

Para este proyecto se ha optado por la segunda opción, dado que las dimensiones del

escalón van en función de la escalera. El escalón soporta un esfuerzo a flexión que viene

dado por el peso de la silla y de su ocupante (110 Kg máx. del ocupante + 60 Kg Aprox.

de la silla = 170 Kg), se toma como valor aproximado 200 Kg.

Para calcular la tensión de trabajo (σt) y la tensión admisible (σA) utilizaremos el

programa Solidworks Simulation. Cada escalón soportara:

Peso silla + persona ≈ 200kg

Área escalón= 973375,49 mm2

Presión = 𝐹

𝐴 =

(200𝐾𝑔+2𝑘𝑔) 𝑥 9,81 𝑚/𝑠2

0,97337549 𝑚2= 2086,21 𝑃𝑎

Angulo =31º

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Información del modelo

Propiedades de material

Nombre de documento y referencia

Propiedades volumétricas

Masa:2.46334 kg

Volumen:0.00258754 m^3

Densidad:952 kg/m^3

Peso:24.1407 N

Referencia de modelo Propiedades

Nombre: PE Alta densidad

Tipo de modelo: Isotrópico elástico

lineal

Criterio de error

predeterminado: Desconocido

Límite elástico: 2.6e+007 N/m^2

Límite de tracción: 2.21e+007 N/m^2

Módulo elástico: 1.07e+009 N/m^2 Coeficiente de Poisson: 0.4101

Densidad: 952 kg/m^3

Módulo cortante: 3.772e+008 N/m^2

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Cargas y sujeciones

Nombre de

sujeción Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Contacto

entre piezas

Entidades: 6 cara(s)

Tipo: Inamovible (sin

traslación)

Fuerzas resultants

Componentes X Y Z Resultante

Fuerza de

reacción(N) 0.0166996 597.953 280.84 660.621

Momento de

reacción(N.m) 0 0 0 0

Nombre

de carga Cargar imagen Detalles de carga

Gravedad-

1

Referencia: Planta

Valores: 0 0 -9.81

Unidades: SI

Presión-1


Tipo: Normal

Valor: 2086.21

Unidades: N/m^2

Ángulo de fase: 31

Unidades: deg

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Resultados del estudio

Simulación von Mises escalón

Viendo el gráfico el limite elástico del material es de 26.000.000 Pa y la máxima carga

admisible es de 3.58376e+006 Pa, por lo que el material del escalón soportara la presión

de 2086,21 N/m^2.

33


Simulación de la deformación en mm

Factor de seguridad

Si se tiene que evitar una falla estructural, las cargas que una estructura es capaz de

soportar deben ser mayores que las cargas a las que se va a someter cuando este en

servicio. Como la resistencia es la capacidad de una estructura para resistir cargas, el

criterio anterior se puede replantear como sigue: la resistencia real de una estructura debe

ser mayor que la resistencia requerida.

La relación de la resistencia real entre la resistencia requerida se llama factor de seguridad

Naturalmente, el factor de seguridad debe ser mayor que 1.0 para evitar falla.

Dependiendo de las circunstancias, los factores de seguridad varían desde un poco más

que 1.0 hasta 10.La incorporación de factores de seguridad en el diseño no es asunto

34


sencillo, porque tanto la resistencia como la falla tienen muchos significados distintos. La

resistencia se puede medir con la capacidad portante, o de carga, de una estructura o bien

se puede medir por el esfuerzo en el material.

La pieza obtendrá un FDS de 7,3

Simulación sobre el factor de seguridad

5.2. Apoyo

La pieza nombrada como apoyo soportara la misma carga que el escalón pero

concentrado solo en una cara y en los tornillos que unen el escalón con el apoyo.

La presión será de 2086,21 Pa y el limite elástico será de 26.000.000 N/m^2

Información de modelo

35


Nombre de documento y referencia Propiedades volumétricas

Masa:2.6766 kg

Volumen:0.00281155 m^3

Densidad:952 kg/m^3

Peso:26.2306 N



Nombre: PE Alta densidad

(1)


lineal

Criterio de error

predeterminado:

Desconocido


Límite de

tracción:

2.21e+007 N/m^2

Módulo elástico: 1.07e+009 N/m^2

Coeficiente de

Poisson:

0.4101



36


Cargas y sujeciones

Nombre de


Fijo-1


Tipo: Geometría fija

Fuerzas resultantes


Fuerza de

reacción(N) 20.3484 111.32 0.0134812 113.165

Momento de


Nombre


Gravedad-

1

Referencia: Planta

Valores: 0 0 -9.81

Unidades: SI

37


Presión-1


Tipo: Normal a cara

seleccionada

Valor: 2068.21

Unidades: N/m^2

Ángulo de fase: 0

Unidades: deg


Simulación de von Mises del apoyo

38


Simulación de la deformación en mm

Simulación sobre el FDS

El grafico de resultados de Solidworks nos indica que el material soportara la presión que

se le aplica y tendrá un FDS de 5.

39


5.3. Tornillo de unión apoyo/escalón

Aplicaremos en el tornillo la presión de 2086,21 Pa. De esta forma sabremos si la presión

que aplicamos romperá el tornillo.

Por lo que vemos en el estudio soportara la presión y no habrá deformaciones importantes

que puedan romper el tornillo.

5.4. Guías

Guía de movimiento

En la guía de movimiento tenemos que considerar el peso del escalón, el apoyo y el

tornillo que se desplazan por la guía.

40


La guía de movimiento soportará :


Peso escalón= 2,4 Kg

Peso apoyo= 2,6 kg

Peso unión de escalones= 525.01 gramos = 0,52501 kg

El peso de los tornillos no es independiente del resultado, por eso no los incluiré

en el cálculo posterior.

Área escalón= 973375,49 mm2

Área apoyo= 422245.80 mm2

Área de la unión de escalones= 23446.77 mm2

Presión = 𝐹

𝐴 =

(200𝐾𝑔+2,4𝑘𝑔) 𝑥 9,81 𝑚/𝑠2

0,97337549 𝑚2+

2,6𝑘𝑔 𝑥 9,81 𝑚/𝑠2

0,42224580 m2+

0,52501 kg 𝑥 9,81 𝑚/𝑠2

0,02344677 𝑚2=

2319,92 𝑃𝑎

Información del conjunto

41



Masa:0.512203 kg

Volumen:6.40253e-005 m^3

Densidad:8000 kg/m^3

Peso:5.01959 N

Cargas y sujeciones

Nombre de


Fijo-1



Fuerzas resultantes


Fuerza de

reacción(N) 0.000219487 9.94383 -6.2285e-005 9.94383

Momento de


42


Nombre


Gravedad-

1

Referencia: Planta

Valores: 0 0 -9.81

Unidades: SI

Presión-1


Referencia: Arista< 1 >

Tipo: A lo largo

de la arista

Valor: -2319,92

Unidades: N/m^2

Ángulo de

fase:

0

Unidades: deg



Nombre: Acero inoxidable

forjado


lineal

Límite elástico: 2.06807e+008

N/m^2

Límite de

tracción:

5.17017e+008

N/m^2

Módulo elástico: 2e+011 N/m^2

Coeficiente de

Poisson:

0.26



Coeficiente de

dilatación

térmica:

1.1e-005 /Kelvin

43



Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 VON: Tensión de von Mises 145.158 N/m^2

Nodo: 709

742242 N/m^2

Nodo: 74

Guia Acero1-Análisis estático 1-Tensiones-Tensiones1

La guía con un límite elástico de 2.06807e+008 Pa y una carga admisible de 742242 Pa

nos indica que el material soportara la presión por la guía.

El desplazamiento es mínimo para considerar incluso deformación plástica.

El FDS de la pieza es de 10

44



Desplazamientos1 URES: Desplazamiento

resultante

0 mm

Nodo: 37

0.00105502 mm

Nodo: 1292

Guia Acero1-Análisis estático 1-Desplazamientos-Desplazamientos1

Guía soporte del escalón

Esta guía es parte importante para que la estructura quede en posición y que no se

desplace hacia otras direcciones provocando que el sistema no llegue a su posición final.

Para ello esta pieza dependerá de la presión de borde del escalón más la presión del

escalón al apoyarse en la guía.

Las guías por donde se desplaza las uniones de los escalones no soportaran cargas que

puedan ser importantes en el sistema ya que las cargas principales se encuentran en las

zonas anteriormente descritas.

La guía de movimiento soportara :


Peso escalón= 2,4 Kg

Peso del borde= 1 kg

45


Presión = 𝐹

𝐴 =

(200𝐾𝑔+2,4𝑘𝑔) 𝑥 9,81 𝑚/𝑠2

0,97337549 𝑚2+

1 kg 𝑥 9,81 𝑚/𝑠2

0,26589713 𝑚2= 2123,108 𝑃𝑎

Presión vertical =2123,108 x sin (31º)= 1093,425 Pa

Una presión de 2086,21 sobre la parte más eterna de la escalera donde se apoya el

escalón y el peso de la silla cuando asciende /desciende más el peso del borde y la

presión en dirección vertical al suelo cuando la silla llega a ese punto en donde

aplica el peso en la guía.



Masa:2.02444 kg

Volumen:0.000262915 m^3


Peso:19.8395 N

46




Nombre: Acero aleado Tipo de modelo: Isotrópico

elástico lineal

Criterio de error

predeterminado: Tensión máxima

de von Mises

Límite elástico: 6.20422e+008

N/m^2

Límite de

tracción: 7.23826e+008

N/m^2

Módulo elástico: 2.1e+011 N/m^2

Coeficiente de

Poisson:

0.28



Coeficiente de

dilatación térmica:

1.3e-005 /Kelvin

Cargas y sujeciones

Nombre de


Fijo-2



Fuerzas resultantes


Fuerza de

reacción(N) -59.9851 58.5936 0.000229474 83.8536

Momento de


47


Nombre


Gravedad-

1

Referencia: Planta

Valores: 0 0 -9.81

Unidades: SI

Presión-2



Tipo: A lo largo de la arista

Valor: 2123

Unidades: N/m^2

Ángulo de fase: 0

Unidades: deg

Presión-3



Tipo: A lo largo de la arista

Valor: 1

Unidades: N/m^2

Ángulo de fase: 0

Unidades: deg

48




Tensiones1 VON: Tensión de von Mises 1.36497 N/m^2

Nodo: 10060

81671.4 N/m^2

Nodo: 8653

Ensamblaje1-Análisis estático 1-Tensiones-Tensiones1

Según las tensiones que nos proporciona el análisis de Simulation en Solidworks la guía

soportara la presión y tensión producida por la silla el ocupante el escalón tanto en

ascenso como en descenso por la rampa.

49



Desplazamientos1 URES: Desplazamiento

resultante

0 mm

Nodo: 1

1.66724e-005 mm

Nodo: 1101

Ensamblaje1-Análisis estático 1-Desplazamientos-Desplazamientos1

FDS para esta pieza de acero aleado es de 10

50


Guía de apoyo

Esta guía se encarga de mantener las piezas del apoyo y el escalón con el borde

formando una rampa , esta guía mantiene el apoyo perpendicular a la contrahuella

de la pared.

Al estar apoyada contra la huella y contrahuella de las escaleras la presión de las

piezas sobre la pieza.

El peso que ha de soportar es el del escalón, la silla , la persona y el apoyo

Peso total = 200+2,4+2,6=205 Kg

Fuerza = 205x 9,81 m/s^2 = 2011,05 N


51


Nombre de documento y

referencia Propiedades volumétricas

Masa:3.21821 kg

Volumen:0.000400923 m^3


Peso:31.5384 N



Nombre: AISI 316L Acero

inoxidable


lineal

Criterio de error

predeterminado:

Tensión máxima de von

Mises



Módulo elástico: 2e+011 N/m^2

Coeficiente de Poisson: 0.265



Coeficiente de dilatación

térmica:

1.65e-005 /Kelvin

52


Cargas y sujeciones

Nombre de


Fijo-1



Fuerzas resultantes


Fuerza de

reacción(N) -0.000124656 2046.74 0.00355943 2046.74

Momento de


Nombre


Gravedad

-1

Referencia: Planta

Valores: 0 0 -9.81

Unidades: SI

Fuerza-1


Tipo: Aplicar fuerza

normal

Valor: 2011.05 N

Ángulo de fase: 0

Unidades: deg

53



Vemos que según los análisis de von Mises y de la deformación producida por la carga

no habrán deformaciones excesivas que puedan romper el material ni deformarlo.

54


El FDS de esta pieza es de 10

5.5. Borde

El borde que apoya el extremo del escalón con la huella de las escaleras es el borde

de la base, los otros bordes son los que se apoyan con el extremo más lejos del

escalón, ayudando a que el escalón no se desplace de la guía de soporte y además

que forme una rampa por la que la persona con movilidad reducida no tenga

problemas para subir ni para descender.

En este caso solo haremos el análisis en el borde de la base que es la primera pieza

en la que se le aplica una fuerza repartida, en este caso será de 200kg (persona más

silla) por la gravedad, resultado de una fuerza de 1962 N

55


Información del conjunto

Nombre de documento y

referencia Propiedades volumétricas

Masa:2.05468 kg

Volumen:0.00227037 m^3

Densidad:905 kg/m^3

Peso:20.1359 N



Nombre: Densidad PE (SS) muy

baja


lineal

Criterio de error

predeterminado: Tensión máxima de von

Mises



Módulo elástico: 1.72369e+008 N/m^2 Coeficiente de Poisson: 0.3


56


Cargas y sujeciones

Nombre

de

sujeción

Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Fijo-1



Fuerzas resultantes


Fuerza de

reacción(N) -61.8755 10.8475 -0.0109336 62.8192

Momento de


Fijo-2



Fuerzas resultantes


Fuerza de

reacción(N) -802.465 1750.51 0.00951069 1925.68

Momento de


57


Nombre


Fuerza-1


Tipo: Aplicar fuerza

normal

Valor: 1962 N

Ángulo de fase: 0

Unidades: deg


Simulación de von Mises del borde

58


Podemos ver que la pieza soportara la fuerza repartida de la silla de ruedas más el

ocupante y que la deformación no es importante, tendremos un FDS de 80, pero

cogeremos un FDS de 10 ya que nos soportara la pieza, con estas características de

diseño son óptimas para este factor de seguridad.

5.6. Unión escalones

Esta pieza es una parte importante en la unión de escalones ya que ha de poder

soportar el peso de las piezas importantes del sistema como el escalón y el apoyo.

El peso de las piezas más pesadas a arrastrar son :

El escalón (24,140 N de peso)

El apoyo (26,2306 N de peso)

El borde (20,1359 N de peso)

Esta fuerza está en la dirección Y respecto la horizontal, por lo tanto la fuerza que

ha de hacer el cilindro y que su fuerza de reacción puede deformar la pieza será de :

F=24,140+26,2306+201359= 70,5065 N en dirección Y por lo tanto si la fuerza se

reparte en dos uniones quedaría dividido en la mitad con una F=35,2532N y

59


pensando en el caso más desfavorable que es la parte más lejos del actuador la F= 4

veces más grande. La fuerza que ha de soportar la unión y superar el actuador es de

141,013N.

Vemos que las fuerzas de reacción que se producen como máximo son de 282,028

N por lo que en el análisis de Simulation veremos si esta pieza podrá soportar dicha

fuerza de reacción.

60


La pieza soportara la fuerza de reacción que producirá una fuerza superior a 141,03 N

en las caras de la imagen.

El FDS es de 3.

5.7. Cilindro de accionamiento

Para realizar la función de apertura y cierre del conjunto plataforma se ha seleccionado

un pistón eléctrico debido a su ligereza y además de ser el único actuador lineal

totalmente eléctrico que se acorta en su longitud con gran velocidad. Pudiendo

prescindir de este modo de circuitos neumáticos que encarecerían el precio final de la

plataforma además de requerir un mantenimiento más complejo durante el período de

vida útil de la plataforma.

El método de funcionamiento del pistón es el siguiente: Cuando circula una corriente

eléctrica por el mismo , un resorte en el interior del pistón se calienta produciéndose un

acortamiento en su longitud.

El pistón estará anclado a la plataforma por la parte inferior y a la estructura por su

parte superior.

61


El pistón seleccionado para tal cometido es un Deskline-LA31 de tensión continua a

24v, hasta 2500N y una velocidad aproximada de 45 mm/s.

Se anclara con una prolongación para poder llegar al recorrido de 170mm que mide la

guía.

Cilindro eléctrico

Medidas del cilindro eléctrico

62


Capítulo 6. Diagrama de Gantt

Este apartado se va proceder a mostrar el diagrama de Gantt ideado para el

completo desarrollo del sistema.

El diagrama Gantt es un gráfico similar a un diagrama de barras, en donde se

representan las tareas o actividades a desarrollar para desempeñar una actividad

o proyecto mucho más complejo frente a un calendario (que viene representado

en la parte superior como si de una barra de tiempo se tratase). De esta manera,

por cada actividad o tarea se crea una “barra” que se sitúa sobre el diagrama

ocupando un espacio que se corresponde con un determinado tiempo.

Este tiempo, es, teóricamente, lo que se tarda en desempeñar la actividad.

Además, a cada tarea se le deben asignar una serie de recursos. Estos, son los

necesarios para que se pueda desempeñar la tarea; y pueden ser, tanto

materiales (objetos, maquinaría, programas informáticos, etc.) como perfiles

profesionales (todo tipo de trabajadores en plantilla, profesionales subcontratados,

etc.).

Los recursos materiales (maquinaría, sobre todo) que se han asignado a cada una

de las tareas que se han representado en el diagrama de Gantt se han ajustado a

los existentes en la empresa. Lo mismo sucede con los recursos referentes a

trabajadores, que se han asignado de acuerdo a la plantilla existente.

La maquinaría de la que se dispone en la empresa es la siguiente:

• Torno paralelo

• Fresadora

• Taladro

• Molde y herramientas para realizar fundición.

• Molde de inyección y maquinaría necesaria para la obtención de piezas de

plástico y de acero.

63


Y la plantilla consta de:

• Ingeniero.

• Delineante proyectista x2

• Operario x4

• Administrativo

Además se precisara de la adquisición del software Solidworks.

Por último, matizar que el diagrama de Gantt se realiza para obtener una pequeña

estimación del tiempo necesario para desarrollar un proyecto; pero no deja de ser

una aproximación. Por este motivo, el diagrama que se ha creado ha sido

distribuido en días (ya que se puede realizar en días, horas, semanas, etc.)

obteniendo así tareas de un solo día, que en realidad se completarían incluso en

menos tiempo; pero se ha realizado así para obtener un plazo de entrega de las

escaleras transformables en rampa más amplia.

Capítulo 7. Presupuestos

Sistema eléctrico

Elementos Cantidad Material

bruto Total

Baterías YUASA REC10-12 1 33,8 33,8

Motor eléctrico 1 130 130

Deskline-LA3 1 50 50

Total 213,8

Descuento 15%

32,07

Total con descuento 181,73

64


Costos de ingeniería

Personal Horas de duración

(h)

Precio por

hora (€/h) Total

Ingeniero técnico 173 35 6055

Tipos Precio

Visado del proyecte 195

Trámites industriales 25

Despieces variados,

visites, inspecciones,....etc.

100 total 320

Coste total: 6055+320 6375

La suma de los costos anteriores más la aplicacion del coeficiente 1,23 derivado del

beneficio, genera el coste total de ingeniería.

6375 x 1,23 TOTAL ENGINYERIA 7.841,25

€

coste de material y mecanización

Prototipo

200 unidades

Sistema articulado 1463,279

Sistema articulado

1243,78

Electricidad y electrónica

83,8 Motor electric

230

Montaje 180

Electricidad y electrónica

71,23

TOTAL 1727,079

Montaje 180

TOTAL (costos +

ingeniería) 9.568,32 €

total 1725,01€

Todos los cálculos de presupuestos estarán adjuntados en un Excel, en el CD.

65


Capítulo 8: Conclusiones

Durante el desarrollo de este proyecto se ha realizado el diseño de un medio

de elevación de personas de movilidad reducida. Para ello se han realizado

todos aquellos cálculos obligatorios y las aproximaciones necesarias para su

diseño o para posteriormente buscar los fabricantes de componentes y

seleccionar el que más se ajusta a las especificaciones del mismo.

En definitiva el sistema es un prototipo y como tal, aún tiene elementos que

pueden mejorar pero como una opción similar a un elevador de silla de

ruedas es viable, pero con condiciones para su adaptación más restrictivas.

Puede ser utilizada en pendientes más bajas para que pueda ser más óptimo,

también mejor el movimiento de los escalones con el apoyo y la guía para

evitar errores de montaje.

El presupuesto se ha hecho en base a un prototipo y posteriormente a una

pequeña tirada de 200 unidades que se reducen tanto los costes de ingeniería

como los de fabricaciones ya que al solicitar más material, por parte de las

empresas, se realizan pequeños descuentos.

66


Capítulo 9 Bibliografía

Ine.es, (2015). Instituto Nacional de Estadistica. (Spanish Statistical Office). [online]

Available at: http://www.ine.es/ [Accessed 1 Sep. 2015].

Eleveescaleras.com.ar, (2015). Clasificación de Escaleras según su pendiente. [online]

Available at: http://www.eleveescaleras.com.ar/clasificacion-de-escaleras.htm [Accessed

15 May. 2015].

Cianfrani, C. and West, J. (2004). ISO 9001:2000 aplicada a la fabricación. Madrid:

Ediciones AENOR.

Vilssa.com, (2013). Las escaleras que se convierten en rampa. [online] Available at:

http://vilssa.com/las-escaleras-que-se-convierten-en-rampa [Accessed 12 Feb. 2015].

Solidworks.es, (2015). Soluciones. [online] Available at:

http://www.solidworks.es/sw/products/simulation/solutions.htm [Accessed 1 Oct. 2015].

67


ANEXOS

Documents

INDICE - UPC Universitat Politècnica de Catalunya